Введение к работе
Актуальность темы. Важным направлением развития энергетики является широкое использование электрических станций на основе возобновляемых видов энергии, в том числе гидроэнергетических установок (ГЭУ).
Водопроводящий тракт ГЭУ представляет собой сложный комплекс сооружений (элементов) для забора воды из водоема, подвода ее к гидроэнергетическому оборудованию и последующего отвода. Состав сооружений водопроводящих трактов и их конструкции весьма разнообразны, однако ко всем элементам предъявляется общее требование — обеспечение наименьших потерь напора водного потока, а, следовательно, мощности.
В ответственном элементе водопроводящего тракта средненапорной ГЭУ - в водоприемно-водовыпускном устройстве доля потерь может достигать 25 % всех потерь. Значительные величины потерь обусловлены сложностью конструкции этих устройств, из-за чего в потоке образуются отрывные течения и циркуляционные области. Особенно сложным является течение в водоприемнике-водовыпуске ГАЭС из-за реверсивности его работы. Именно для этих электростанций важно правильно выбрать наиболее рациональные параметры водоприемно-водовыпускных устройств, обеспечивающие наилучшие энергетические характеристики для обоих режимов работы станции.
Таким образом, повысить эффективность ГЭУ можно за счет обоснованного назначения оптимальных параметров элементов водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, а также использования более эффективных конструктивных решений, улучшающих условия работы этих устройств и повышающих их энергетические показатели.
В связи с этим, актуальным направлением исследований в настоящее время является разработка и совершенствование методов технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом особенностей и условий их функционирования, а также разработка предложений и обоснование применения более эффективных конструкций этих устройств, в которых исключаются или уменьшаются отрывные течения и циркуляционные области, служащие источником повышенных потерь.
Цель диссертационной работы - разработка методики технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации на основе исследований их конструкций.
Основные задачи исследований. Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Выполнен анализ существующих конструктивных решений врдо- " приемно-водовыпускных устройств ГЭУ, методов обоснования их параметров и результатов экспериментальных исследований по выявлению влияния их конструктивных особенностей на энергетические показатели.
-
Разработаны предложения по усовершенствованию конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ с целью улучшения их энергетических характеристик и повышению эффективности работы.
-
Разработана методика технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, позволяющей учитывать их конструктивные особенности, местные специфические условия эксплуатации и современные экономические условия.
-
Выполнен комплекс экспериментальных исследований эффективных конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ на математических и физических моделях, определены энергетические характеристики их работы и выявлены их наиболее рациональные параметры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе анализа конструктивных решений уточнена классификация водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по направлениям их совершенствования и по конструктивному признаку. В частности, предложено выделить дополнительный подтип водоприемно-водовыпускных устройств, к которому отнесены конструкции, имеющие потоконаправляющие устройства, обеспечивающие исключение (уменьшение) вихревых областей в потоке.
-
Разработана методика технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом конструктивных особенностей и условий их эксплуатации для современных экономических условий.
-
Предложены и исследованы новые эффективные конструкции водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ: водоприемника (Патент № 2389846), водоприемника-водовыпуска (Патент № 2389847) и водоприемного устройства (Патент № 2392378 и № 87431).
-
На основе экспериментальных исследований получены данные о влиянии параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ и параметров их потоконаправляющих элементов на энергетические характеристики для турбинного и насосного режимов работы.
Личный вклад автора заключается в проведенном анализе научных публикаций по конструктивным решениям водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ и результатам их исследований; в разработке новых конструкций водоприемно-водовыпускных устройств, защищенных патентами на изобретения; в разработке методик проведения экспериментальных исследований моделей новых конструкций водоприемно-водовыпускных устройств; в создании экспериментального стенда; непосредственном проведении экспериментальных исследований, обработке полученных опытных данных и анализе результатов исследований о влиянии основных параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ; разработке основных положений методики технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.
Практическая значимость исследований состоит в использовании полученных результатов для обоснования основных параметров эффектив-
ных конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ при выполнении проектов строительства или реконструкции водопроводящих трактов ГЭУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Уточненная классификация водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по конструктивному признаку и по направлениям развития их конструкций.
-
Методика технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, позволяющая учитывать конструктивные особенности и местные специфические условия эксплуатации в современных экономических условиях.
-
Результаты экспериментальных исследований предложенных автором конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ при работе в турбинном и насосном режимах.
-
Результаты оценки эффективности новых конструктивных решений водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, использующих потоконаправ-ляющие элементы и обеспечивающих повышение энергетических показателей ГЭУ: водоприемника с изменяющейся формой водоприемной камеры и возможностью исключения влияния пазов; водоприемника-водовыпуска с разделителями водного потока, обеспечивающими изменение раструбности водоприемно-водовыпускной камеры; водоприемного устройства с дополнительными камерами, служащими для исключения образования циркуляционных областей в водном потоке.
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием полученных результатов исследований существующим современным научным представлениям, использованием в диссертационной работе научно обоснованных и апробированных методик выполнения работ, совпадением данных, полученных в экспериментальных исследованиях при математическом моделировании с результатами, полученными на физической модели.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на региональных и международных научно-технических конференциях и совещаниях: Всероссийская XXX научно-техн. конф «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 1999 г.), Международная научно-техническая конференция «Научные проблемы энергетики возобновляемых источников» (Самара, 2000 г.), Международная научно-техническая конференция «Гидротехника и гидроэнергетика: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов» (Самара, 2002 г.), Miedzynarodowa konferencja naukowa II Okragly stol Hydroenergetyki Wisla-Wolga «Kaskady elektrowni wodnych na rzekach Europy» (Wloclawek, 2004 г.), с 57-ой по 67-ю научно-технические конференции по итогам НИР ГОУ ВПО «СГАСУ».
Реализация работы. Результаты исследовательской работы внедрены Центральным производством ОАО «Инженерный Центр Энергетики Поволжья» при проектировании новых и реконструкции существующих водопри-
емно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок, а также п учебный процесс ҐОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» при выполнении дипломного и курсового проектирования студентов, обучающихся по специальности «Гидротехническое строительство».
Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в 4 периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Имеется 3 патента на изобретения и один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, в том числе 10 на иностранном языке. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 71 рисунок и 4 таблицы. Общий объем работы — 161 страница.
